纤维优化（精选十篇）
纤维优化 篇1
普通混凝土的延性较差,极限拉应变只能达到0.02%～0.03%,如应变继续增加,则试件破坏,即出现应变-软化现象。在设计的水泥基材料(称ECC)中加入纤维可以提高材料的延性,极限拉应变可达到2%～4%[1,2,3,4,5],取得应变硬化现象。
试验表明,取得应变硬化现象的水泥基材料在承受荷载时,应力随应变增加而增大,在大变形下仍旧能够继续承受荷载,直到最终破坏。同时,在受荷过程中产生多条的细密微裂缝,但裂缝宽度一般在100μm之内。
然而,并不是在所有水泥基材料中加入一定量的纤维就可以发生应变硬化行为。有研究表明,FRCC能够得到的应变硬化行为并不是很稳定,时有应变软化行为发生,这与纤维本身特征及水泥基材料的基体组分有关[6]。本文主要分析纤维类型、强度、长度、直径、体积掺量及纤维表面处理等因素对FRCC应变硬化性能的影响。
1 产生应变硬化的微观力学模型
水泥基材料的应变硬化行为与其在受荷过程中产生多条细密裂缝相关。在承受荷载过程中,基体强度低,受拉边缘首先出现裂缝,由于基体材料不均匀,裂缝出现在最大初始缺陷尺寸截面上(基体强度最小的部位),此时,FRCC中的纤维能提供足够的桥接应力抵抗裂缝处的应力,如图1。随着荷载的增加,基体中第2条、第3条等裂缝以“自相似”模式逐步扩展,裂缝处的纤维不断提供桥接应力持续抵抗这种作用。当第1条裂缝出现后,对应试件的承载能力经历瞬间下降后马上恢复,裂缝宽度稳定在一个很细的水平上,随着荷载持续增加,试件上最终呈现大体均匀分布的多条细密裂缝,每条裂缝的宽度大体接近,此时裂缝间纤维所提供的桥接应力不足以使基体内产生新的裂缝,裂缝处于饱和状态。此后,增加荷载也不再有新裂缝产生,而是原有裂缝的宽度不断增加,直至某一条裂缝发生局部化扩展,试件最终发生断裂破坏[7]。细密裂缝产生并不断扩展使得FRCC不断吸收能量,保证了试件能够不断地承受荷载,表现出应变硬化特征,提高材料的延性。
FRCC在承受荷载作用下产生多条细密裂缝,这是应变硬化特性的典型特征。要产生多条细密裂缝必须同时满足两个准则:稳态开裂准则和开裂强度准则,否则材料受力开裂后由于裂缝局部化扩展而进入软化阶段,无法产生多条裂缝,也就得不到应变硬化行为。
1.1 稳态开裂准则
基体材料产生多条细密裂缝,FRCC才会发生应变硬化行为,而多条细密裂缝产生的基础是稳态开裂。在拉伸条件下,裂缝尖端韧度Jtip必须小于余能J′b(由σ-δ曲线计算得出,如图2所示)才能保证稳态开裂的形成[8,9]。
式中,Jtip=Km2/Em,Km为基体断裂韧度,Em为基体杨氏模量,σ0为对应裂缝为δ0时的最高桥接应力。σ-δ是应用断裂力学、微观力学和概率论的分析得到的[10],通过微观力学参数来体现,包括纤维从界面脱粘时消耗的化学脱粘能Gd,纤维脱粘后纤维滑动过程中的摩擦粘结力τ0和滑动-硬化系数β;也与界面性能、基体杨氏模量Em,纤维体积含量Vf,纤维的直径、长度和纤维杨氏模量等参数相关。
式(1)综合了能量平衡原理,称为能量准则。该准则把裂缝扩展过程中外部荷载做功、基体断裂过程中吸收的能量和纤维—基体界面脱粘与滑动时吸收的能量三者结合起来。此时,裂缝宽度被限制在δ0之内,裂缝间应力值小于纤维桥接应力。否则一条裂缝出现后,会沿着这条单一裂缝逐步扩展,发生应变软化行为。基于能量平衡原理建立的准则决定了裂缝传播模型为稳态开裂的形式,这种裂缝的扩展对于产生应变硬化行为是关键的。
1.2 初始开裂应力准则
实现应变硬化的另一个条件是基体初始拉伸开裂应力σfc必须小于最大桥接应力σ0,σfc由基体断裂韧度决定。如σfc太大,开裂后会因纤维断裂或拔出使承载力突然下降,荷载无法传递回基体,更不会产生新的裂缝。这就是强度准则,表达式如下:
能量准则主导裂缝传播模型,强度准则控制裂缝的形成,取得多条细密裂缝现象必须同时满足这2 个原则。否则会发生应变软化行为。
由于基体材料不均匀,必定存在一定缺陷,同时由于纤维的乱向分布,要得到应变硬化行为,E(Energy)与S(Strength)值必须有一定的富余。如公式(3)与公式(4)。
E与S大的材料得到饱和多裂缝现象的几率更大,得到应变硬化行为的几率也越大。有试验证明,PE纤维增强水泥基材料性能指标同时满足E=J′b Jtip>3与S=σ0/σfc>1.2时,几乎都能得到饱和多裂缝现象[11]。而PVA纤维增强水泥基材料则要求同时满足E=J′b/Jtip>3与S=σ0/σfc>1.45,才可以稳定得到饱和多裂缝现象[12]。对比PE纤维,亲水性的PVA纤维有低的强度和高的界面粘结力,这使其有更大的纤维断裂倾向,因此,强度指标S适当加大。疏水性的PP纤维界面特性与PE纤维相似,只是强度远低于PE纤维,文献[11]的试验证实了在E=J′b/Jtip和σ0/σfc>2时也可稳定产生应变硬化行为。
从上述微观力学模型可知,FRCC在荷载作用下能否实现多条细密裂缝,从而得到应变硬化行为,取决于纤维桥接应力的强弱与基体的断裂韧性[13]。定性地讲,强的纤维桥接应力和低韧性基体有助于应变硬化与多条细密裂缝的形成。
2 纤维对FRCC应变硬化行为的影响
FRCC之所以能够产生应变硬化行为,是由于在基体开裂后,裂缝间纤维桥接作用形成的,材料整体的传力性能没有因微细裂缝的形成而被削弱。纤维是使该材料具有应变硬化特性的核心,纤维的强度、长度、直径、体积含量、类型以及与纤维-基体界面性质都影响FRCC的应变硬化性能。纤维的选择对配制FRCC至关重要。
2.1 纤维本身特征
2.1.1 纤维类型
图3是PE-ECC与PVA-ECC试件的典型的裂缝形态[14],虽然都得到应变硬化,但裂缝形态却完全不同。PVA属于典型的亲水性纤维,有粗糙的表面,可与基体发生水化作用(如图4),因此在纤维与基体界面存在一个原始的Gd,使材料在未开裂时就存在一个初始的桥接应力;PE纤维属于疏水性纤维且表面光滑,不具有初始桥接应力,裂缝开展后才能具有PVA未开裂时的初始桥接应力,故PE-ECC的表面裂缝宽度大、间距也宽。很明显,PVA-ECC试件裂维-基体界面处的最大桥接应力σ0既有化学脱粘能Gd,也有纤维滑动拔出过程中的τ0。如果纤维较长,Gd就很强,大量纤维最终可能会拉断而不是拔出,不利于应变硬化行为的发生。如果纤维长度很短,Gd就很小,那么从开裂到裂缝逐步开展过程中,Gd可能满足不了σ0,很快就被拔出,也不利于应变硬化行为的缝细而密,基体变形过程中能量充分消耗,应变硬化性能发挥充分,而PE-ECC试件应变硬化性能发挥不充分。
另一方面,PVA纤维在拔出过程中,表面不可避免地受到界面处基体的磨损与削刮,表面的破坏会导致纤维的滑动-软化或滑动-硬化,加大了纤维在桥接过程中的断裂倾向。PE、PP纤维由于疏水及表面光滑,在基体拉伸时更容易被拔出而不是拉断。文献[15]分别对PP与PVA纤维增强水泥基材料做了弯曲试验,在破坏后裂缝截面处通过SEM观测到亲水的PVA纤维大量断裂(图5a),纤维桥接效率的降低使应变硬化能力减弱;疏水的PP纤维大量被拉长同时被拔出(图5b),有利于应变硬化。
2.1.2 纤维强度
文献[12]根据微观力学模型中的强度准则预测:如纤维强度低于1000MPa,那么即使是在Gd较低的情况下,对应FRCC的余能J′b也会很小,而在Gd较高的情况下甚至会变得更低,不利于准应变硬化性能的实现。纤维强度高,在基体相同的情况下,Jtip、σfc不变,而J′b相应增大,则E值也会加大,利于应变硬化行为。但并不是纤维的低强度就不可能得到应变硬化行为,只要E值与S值满足能量总则和强度总则就可以得到,比如强度小于1000MPa的疏水性PP-ECC,在降低基体断裂韧度(强度)条件下,即E值有富余,同时保证S=σ0/σfc>2时,便可稳定的实现应变硬化行为[11],但是其极限强度也降低很多。需要说明的是,高强度纤维只有与之适应的纤维长度,才能更有效地提高桥接应力σ0和余能J′b。
2.1.3 纤维长度
在FRCC中,对于亲水性纤维,拉伸过程中,纤发生。文献[12]的研究表明,亲水性纤维存在一个临界嵌固长度(即Lc),当纤维长度<2Lc时,增加纤维的长度可明显提高ECC的抗拉强度和余能J′b,而超过这一长度后增加的趋势变缓。对疏水性纤维,因其Gd很弱,仅仅靠摩擦粘结力τ0来保证,纤维长度增加可能对产生应变硬化有利[16]。文献[17]研究了混杂钢纤维与PE纤维水泥基材料中PE纤维长度对材料应变硬化性能的影响,如表1、表2。结果说明,疏水性PE纤维长度增加1.5倍显著提高了材料的应变硬化能力。因为在纤维拔出过程中τ0增加,使E值增加,利于应变硬化。然而,过长的纤维对纤维在基体中的分散和FRCC的工作性不利,同时增加了纤维断裂的倾向,降低了纤维增强的效率。
2.1.4 纤维直径
纤维体积掺量相同时,直径越小,数量就越多,在保证纤维在基体中均衡分散条件下,承担桥接行为的纤维数量越多,越利于应变硬化的主生。文献[18]用PVA纤维(Vf为1.7%)做增强材料,考察纤维直径对FRCC的影响,试验结果见表3。
表3说明,在研究纤维对FRCC应变硬化性能的影响时,直径不是独立因素,而与纤维的长径比Lf/df相关。文献[19]的试验发现,纤维从基体中拔出时发生的剪切应力滑移硬化现象有助于提高FRCC的极限拉应变和断裂能,但只有当纤维满足βLf/2df>2的条件时,这种提高作用才开始变得显著。同时,纤维的Lf/df也不能太大,太大这会导致纤维断裂而不是拔出。从试件破坏来看,试件a中的纤维大多被拔出,少量断裂,表现出明显的应变硬化行为;试件b中纤维的大多断裂,表现出明显的应变软化与单点开裂模式[18]。文献[20]对Lf/df为233、333、556的三种PP纤维增强水泥基材料做了单轴拉伸试验,在破坏断面进行SEM观测发现,Lf/df为333、233的纤维被拔出,而Lf/df为556的纤维被拉断。Lf/dfo 333的试件得到的应变能力最大。故对于不同种类纤维增强的ECC,选择适当的长径比能够增强应变硬化性能的稳定性。
2.1.5 纤维体积含量
纤维体积含量Vf越大,能够承接裂缝处桥接纤维越多,FRCC应变硬化能力就越强,但Vf太大时,纤维在基体中易相互接触甚至结团,影响纤维-基体界面的性能,降低Gd与τ0,不利于应变硬化行为。对亲水性纤维,由于表面发生水化作用,吸附大量水化过程中的颗粒,在搅拌过程中不易结团,利于纤维的分散,因而可以有较高的Vf。对比疏水性纤维,表面光滑且不与基体发生水化作用,故搅拌过程中易结团,不利于纤维的分散,因而其Vf相对要低。文献[20]研究了Vf对疏水性PP-ECC应变硬化性能的影响,在传统FRCC制作模式下,即纤维在基体达到良好塑性粘度时均匀的投放纤维,然后搅拌均匀得到FRCC,在Vf达到1.6%时,继续增加Vf,试件(Lf/df=333)中τ0将随Vf的增加而减小,纤维桥接效率随之降低。而对于亲水性PVA纤维,纤维Vf在2.5%以内,应变硬化能力随纤维Vf增加而增加,当Vf超过2.5%,再增加Vf,应变硬化能力增加缓慢甚至降低[21]。
改变FRCC加工制作方法可以弱化这种影响。对于传统FRCC制作模式,纤维的取向没有规律,而通过挤压成型的加工制作方法,纤维的取向被控制在一个方向(如图6),因此Gd与τ0不随Vf的变化而变化,基本是一个常数,故Vf增加有利于FRCC应变硬化性能的提高。文献[20]试验中,PP纤维Lf/df=333时,Vf为1.0%时为应变软化行为,且为单裂缝;Vf为4.5%时,明显出现多裂缝现象,虽然应变能力在0.8%左右,但具有明显的应变硬化倾向。
2.2 纤维表面处理
从微观角度来讲,纤维桥接作用的发挥与纤维基体界面性质有关,对于亲水性纤维,纤维的表面与基体粘结在一起而形成一个整体,具有很强的化学粘结性能[22,23],纤维与基体之间粘结力非常大。反之,对疏水性纤维,纤维与基体间粘结力差,出现裂缝后,纤维仅依靠与周围基体的摩擦提供桥接作用,纤维可能会很快被拔出而起不到桥接作用。
2.2.1 亲水性纤维表面处理
对于亲水性纤维,纤维与基体之间具有较强的粘结力,但如果这种粘结力太强,对结构延性将产生不利影响。从形成应变硬化行为的微观角度来讲,基体受荷后,纤维通过已有的化学粘结提供强劲的桥接应力,试件随着荷载增加,变形增加,随之出现裂缝,裂缝处的纤维开始慢慢地化学脱粘,脱粘后依靠纤维-基体界面处的物理摩擦τ0继续提供能量。持续加载,变形逐步加大,而纤维依靠物理摩擦粘结力不断消耗能量,并且不断变形,最终形成应变能力达到3%甚至更高的延性。如果纤维与基体粘结力Gd太强,随着变形加大,在开裂处纤维没有完成化学脱粘就被拉断,无法给试件继续提供能量,无法持续不断变形,也就形成不了应变硬化行为。文献[15]对未做表面处理的PVA纤维增强水泥基材料进行了弯曲试验,在峰值荷载后,PVA纤维断裂的声音可以清楚听到。在荷载-位移曲线上,荷载突然下降,挠度继续增加导致纤维从梁的底部不断被拉断,在断裂面处进行SEM观测(图5b)发现,PVA纤维基本都被拉断,几乎没有滑动。
文献[21]所做的微观的亲水性PVA纤维单丝拔出试验证实了PVA纤维在水泥基体中脱粘时有很强的化学脱粘能Gd,在纤维拔出过程中也有很强的界面剪应力τ0。文献[22]通过对PVA纤维表面油剂处理达到降低Gd的目的。对比发现,Gd降低了30%～33%,而τ0降低了33%～35%,说明对纤维进行油剂处理能够在一定限度范围内降低界面脱粘能Gd和界面剪应力τ0。文献[24]也用油剂处理对PVA纤维表面进行物理改性,然后制作PVA-ECC进行拉伸试验,试验分2组,一组纤维表面不处理,另一组表面1.2%的油剂处理,PVA体积含量均为2%,每组3个试件,轴拉试验结果如图10所示。由图10可明显看出,纤维经油剂处理过的三个试件均保持了稳定的应变硬化行为,最终应变值都大于4%,且呈现出饱和的多裂缝形态;表面没有处理过的PVA纤维试件应变硬化行为不稳定,最大的应变值不到2%,其他试件都发生应变软化行为。
2.2.2 疏水性纤维表面处理
PE纤维属于典型的疏水性纤维,具有很高的强度(通常在2700MPa左右)。对PE纤维的表面进行处理,增加Gd与τ0,能够提高PE-ECC的应变硬化性能。文献[25]进行了PE纤维单丝拔出试验,研究了经等离子处理的PE纤维与砂浆的粘结性能。结果表明,纤维与砂浆的粘结方式由物理粘结转变为以化学粘结为主,粘结强度提高了6倍,粘结韧性提高了7倍。文献[26]对几个试件的PE纤维表面进行不同程度等离子处理,然后做成试件进行3点弯曲试验。对比未处理的PE纤维,氩离子处理过的PE纤维试件,弯曲强度由15.8MPa增加到21.9MPa,弯曲韧度值提高了46%。同时,在跨中加载位置,裂缝的数量显著增加,裂缝处承担桥接应力的纤维数量也增加。这与纤维处理后表面特征发生变化有关,表面由光滑变为粗糙,桥接应力τ0提高,增大了S值。且PE纤维处理后表面吸附了大量水化过程中的颗粒,增强了纤维在基体中的分散,提高了纤维的桥接效率。文献[27]也利用等离子体技术对PE纤维进行表面处理做成PE-ECC试件,对比未处理的PE-ECC,其应变硬化能力得到显著提高。
另一种疏水性纤维增强材料是PP纤维,对比PE纤维,由于PP纤维的强度低,按照得到应变硬化行为的2个准则,只有当Vf≥3.5%,且τ0≥1.5MPa时,PP纤维才能得到应变硬化行为。然而,由于PP纤维的疏水性(Gd=0,τ0在0.2～0.3MPa之间)[28]及低强度,想要用PP纤维增强ECC得到稳定的应变硬化行为,纤维体积含量一般要达到7%～13%[29,30],而Vf过大不利于纤维在基体中的分散,影响纤维的桥接作用。所以,对纤维表面进行处理,增强其Gd、τ0,同时改善纤维-基体界面性质是得到应变硬化行为的关键因素。大量微观试验对疏水性PP纤维做表面处理,研究其与水泥基体的粘结性能。文献[31]用添加剂与聚丙烯共混纺丝,利用“附壁”效应对PP纤维表面进行改性,在SEM下观察纤维从基体中拔出的断裂面形貌发现,改性处理增强了纤维与水泥基体的界面结合。文献[32]在聚丙烯中加入成核剂共混材料,改变其结晶行为,使纤维表面出现部分微孔,提高了纤维的亲水性,增大了纤维的刚度,增强了纤维与基体的粘结性能。文献[33]用等离子体处理聚丙烯纤维表面,使其粗糙程度增大,通过单纤维拔出试验,证实了PP纤维表面经过等离子体改性处理后对界面的优化效果。
文献[12]利用“附壁”效应对PP纤维进行表面改性处理,纤维强度从400MPa提高到749MPa。试验证明,把这种高韧性的共聚物PP纤维应用于增强ECC,体积掺量为2%的试件,得到应变硬化行为;而没有处理的PP纤维试件,则得到应变软化行为。在弯曲试验过程中,这种经过“附壁”效应改性的PP-ECC也是稳态开裂,裂缝宽度较普通PP-ECC细了很多,说明经过表面处理的PP纤维增强了界面粘结力(τ0从0.22MPa增加到1.02MPa、Gd=0),J′b从24.8J/m2增加到54.6J/m2,σ0也从2.2MPa增加到5.3MPa,同时试件形成了饱和多裂缝,依据能量准则与强度准则,E值与S值增加,提高了应变硬化能力。文献[34]对PP纤维进行表面等离子处理,然后做弯曲试验,对比未处理的PP纤维,最终弯曲强度与韧性显著提高,说明了同样的道理。
3 结语
微观力学模型指导下,探讨了纤维类型、强度、长度、直径、体积掺量及纤维表面处理等单一因素变化对FRCC应变硬化性能的影响,结果说明,纤维优化利于稳定应变硬化行为的产生或取得更大的应变硬化能力。
纤维优化 篇2
以羧甲基纤维素钠为碳源,从秸秆堆腐物及牛粪中分出到8株能降解纤维素的细菌菌株,分别对其进行了滤纸崩解、CMC相对酶活、CMCase、滤纸失重率等的测定,从中筛选出N-12菌株分解纤维素的`能力最强,初步鉴定为枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis).通过测定不同培养条件下N-12菌株的产酶能力,初步确定其最佳产酶条件为:最适氮源为蛋白胨,最适pH为8.0,最适温度为37℃,接种量4%,培养72h,CMCase最高.
作 者：张丽青 吴海龙 姜红霞 张庆乐 唐心强 Zhang Liqing Wu Hailong Jiang Hongxia Zhang Qingle Tang Xinqiang 作者单位：张丽青,张庆乐,唐心强,Zhang Liqing,Zhang Qingle,Tang Xinqiang(泰山医学院化学与化学工程学院,山东,泰安,271016)
吴海龙,Wu Hailong(浙江大学,环境与资源学院,浙江,杭州,310029)
姜红霞,Jiang Hongxia(泰山医学院药学院,山东,泰安,271016)
马铃薯膳食纤维低脂肉丸的工艺优化 篇3
摘 要：以马铃薯膳食纤维作为脂肪替代物，制备马铃薯膳食纤维低脂肉丸。以产品感官评价和质构特性为指标，确定猪肉丸的最佳初始配方，再将马铃薯膳食纤维作为脂肪替代物添加到猪肉丸中，确定马铃薯膳食纤维低脂肉丸的最佳配方（以瘦肥比和膳食纤维的总质量计，下同）：瘦肉70%、肥肉24%、膳食纤维6%、马铃薯淀粉16%、大豆分离蛋白2.5%、水30%，同时将普通肉丸和马铃薯膳食纤维低脂肉丸的营养成分进行对比，发现后者的品质得到了改善，感官评分达到90.73、硬度4 189.14 g、弹性0.70、黏聚性0.45、咀嚼性921.24 g。脂肪含量降低了39%，可以达到低脂的目的。
关键词：低脂猪肉丸；马铃薯膳食纤维；感官评分；质构特性
Optimization of the Formulation of Low-Fat Pork Meatballs with Potato Dietary Fiber
ZHANG Gensheng， GE Yingliang， NIE Zhiqiang， YUE Xiaoxia， HAN Bing
·（Key Laboratory for Food Science and Engineering of Heilongjiang Province， School of Food Engineering， Harbin University of Commerce， Harbin 150076， China）
Abstract： This research study aimed to determining， using sensory and textural qualities as response parameters， an optimized low-fat meatball formulation with pork fat substitution by potato dietary fiber. The optimization showed that a formulation consisting of 70% lean， 24% fat and 6% potato dietary fiber （fat substitution by 20%） with 16% potato starch， 2.5% soybean protein isolate and 30% water added indicated improved sensory quality and textural properties with sensory score， hardness， elasticity， cohesiveness and chewiness of up to 90.73， 4189.14， 0.70， 0.45 and 921.24， respectively， when compared with common pork meatballs， in addition to a 39% reduction in fat content.
Key words： pork meatballs； dietary fiber； sensory evaluation； texture properties
中圖分类号：TS251.51 文献标志码：A 文章编号：
doi： 10.7506/rlyj1001-8123-201508001
膳食纤维是以多糖为主的一类大分子物质的总称[1]，由纤维素、果胶类物质、半纤维素和糖蛋白等物质组成的聚合体[2]，称之为“第七大类营养素”[3]。膳食纤维因其不易被人体消化吸收，在食品加工过程中常被去除[4]。随着科学的进步，人们逐渐认识到，摄取食物过于精细会导致多种疾病的发生，而食用富含膳食纤维的食品则可大大降低发病率[5]。每天能摄入适量的膳食纤维食品，不仅能预防疾病，而且能增加饱腹感，防止进食过饱，具有减肥之功效[6]。
膳食纤维在食品方面的应用广泛，最广泛的应用是在焙烤方面，主要产品有高膳食纤维的面包、蛋糕和饼干等，它可以使面团的可塑性增加、弹性降低，使饼干易成型、模纹清晰、酥脆性增加、产品口感好。膳食纤维还可以作为脂肪替代物，应用于肉制品中，如火腿肠、肉丸、午餐肉、调味的酱料等[7]，不仅降低热量，而且能预防糖尿病、便秘[8-9]、心脑血管病[10]、肠癌[11]等，也不必担心摄入过多的脂肪而发胖。
本实验以感官评价和质构特性为指标，以马铃薯膳食纤维作为脂肪的替代物，制备马铃薯膳食纤维低脂肉丸，确定其产品配方，测定营养成分，旨在为制备低脂、健康的肉丸提供工艺参考。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
猪瘦肉、猪肥肉 市售；马铃薯渣膳食纤维 自制；大豆分离蛋白 哈高科大豆食品有限责任公司。
水、盐、白糖、味素、姜粉、花椒粉、复合磷酸盐等均为食品级。
1.2 仪器与设备
TA-XT2i型质构仪 英国SMS公司；CCFG-21多功能电热锅 周村利群电热器厂；GR332型绞肉机 河北晓进机械制造股份有限公司；AL104分析天平 上海梅特勒-拖利多仪器有限公司。
1.3 方法
1.3.1 工艺流程及操作要点
选肉→切块→绞碎→搅拌→成丸→煮制→冷却→成品
选择符合卫生标准的新鲜肉，除去肋膜、筋腱、猪皮、污物；将肉切成小块，用绞肉机绞碎备用；向绞碎的肉中加入各种辅料，充分搅拌均匀；手工捏成直径3 cm左右的丸子，放入开水中煮，待丸子上浮后煮2 min捞出沥干。
1.3.2 猪肉丸配方的优化
1.3.2.1 瘦肥肉比对肉丸品质的影响
分别称取瘦肥比（质量比）为50：50、60：40、70：30、80：20、90：10，在马铃薯淀粉添加14%（以瘦肉和肥肉的总量计，下同），大豆分离蛋白添加2.0%，水添加30%的条件下再添加调配料，搅拌混匀后制成丸子，熟制后以感官评分及质构为指标，确定出肉丸配方的最佳瘦肥比。
1.3.2.2 马铃薯淀粉添加量对肉丸品质的影响
称取瘦肥比70：30，大豆分离蛋白添加2.0%，水添加30%，马铃薯淀粉添加量分别为12%、13%、14%、15%、16%，添加调配料，搅拌混匀后制成丸子，熟制后以感官评分及质构特性为指标，确定出肉丸配方中最佳马铃薯淀粉添加量。
1.3.2.3 大豆分离蛋白添加量对肉丸品质的影响
称取瘦肥比70：30，水添加30%，马铃薯淀粉添加15%，大豆分离蛋白添加量分别为1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%，添加调配料，搅拌混匀后制成丸子，熟制后以感官评分及质构特性为指标，确定出肉丸配方中最佳大豆分离蛋白添加量。
1.3.2.4 水添加量对肉丸品质的影响
称取瘦肥比70：30，马铃薯淀粉添加15%，大豆分离蛋白添加2.0%，水添加量分别为20%、25%、30%、35%、40%，添加调配料，搅拌混匀后制成丸子，熟制后以感官评分及质构特性为指标，确定出肉丸配方中最佳水分添加量。
1.3.2.5 猪肉丸配方正交试验
通过单因素试验的确定，以瘦肥比、马铃薯淀粉添加量、大豆分离蛋白添加量、水添加量为试验因素，以感官评分为指标，选用L9（34）正交表进行优化试验，平行试验3 次。
1.3.3 膳食纤维低脂肉丸的配方优化
以前面确定下来的最佳肉丸配方為基准，用膳食纤维替代肥肉的比例分别为0、10%、20%、30%、40%，以感官评分及质构为指标，确定出膳食纤维低脂肉丸的最优配方。
1.3.4 指标测定
1.3.4.1 感官评分[12-17]
结合本产品特点，评分标准如表2所示，5 项指标总分共计100分。
1.3.4.2 质构特性的分析
取制好的肉丸，切成1 cm的正方体，置于物性分析仪载样台中央，进行测定。采用质构剖面分析方法（texture profile analysis，TPA）；测定参数：测试前速1.0 mm/s，测试速率0.5 mm/s，测试后速0.5 mm/s，测试距离50%，两次压缩中停顿时间5.0 s，探头类型P/50，测定时环境温度25 ℃。测定结果以硬度、弹性、咀嚼性、黏聚性为指标。每个样品重复3 次取平均值。
1.3.4.3 成分含量测定
水分含量的测定：直接干燥法，参照GB/T 5009.3—2003《食品中水分的测定》；灰分的测定：灼烧称重法，参照GB/T 5009.4—2003《食品中灰分的测定》；蛋白质的测定：凯氏定氮法，参照GB/T 5009.5—2003《食品中蛋白质的测定》；淀粉的测定：酶水解法，参照GB/T 5009.9—2003《食品中淀粉的测定》；膳食纤维的测定：AOAC法（酶-质量法），参照GB/T 5009.88—2008《食品中膳食纤维的测定》。
2 结果与分析
2.1 猪肉丸配方的优化
2.1.1 瘦肥肉比对肉丸品质的影响
由表3可知，瘦肥比对猪肉丸的感官评分的影响显著（P<0.05）。在实验比例范围内，感官评分先上升后降低，在瘦肥比70：30时感官评分最高；硬度和咀嚼性在90：10时达到最优，随着肥肉比例的增加两个指标都呈下降趋势，弹性在80：20时最优，黏聚性在70：30时最优。瘦肥比是肉丸的基础，其比例对肉丸的各个指标影响都较大，当肥肉比例超过70：30时，脂肪含量增多产生油腻感，色泽、口感、弹性、组织状态等都会逐渐下降。综合考虑，选择瘦肥比70：30作为生产肉丸的最佳工艺条件。
2.1.2 马铃薯淀粉添加量对肉丸品质的影响
由表4可知，马铃薯淀粉添加量对猪肉丸的感官评分的影响显著（P<0.05）。在12%～16%范围内，感官评分先升高后降低，15%时达到最高；硬度、弹性和咀嚼性在添加15%时达到最优，黏聚性一直呈现上升趋势。综合考虑，选择马铃薯淀粉15%为最适添加量。
2.1.3 大豆分离蛋白添加量对肉丸品质的影响
由表5可知，大豆分离蛋白添加量对猪肉丸的感官评分影响显著（P<0.05）。在1.0%～3.0%的范围内，感官评分先增加后降低，2.5%时感官评分最佳；硬度和咀嚼性在添加2.5%时达到最优，弹性和黏聚性在2.0%时最优。大豆分离蛋白具有保水、保油和凝胶等功能特性，添加大豆分离蛋白可以大大改善肉丸的质构[18]。但是大豆分离蛋白要适量添加，添加过多，各个指标均明显下降。综合考虑，选择大豆分离蛋白2.0%为生产肉丸的最适添加量。
2.1.4 水添加量对肉丸品质的影响
由表6可知，水添加量对猪肉丸的感官评分影响显著（P<0.05）。在20%～40%范围内，感官评分先提高后降低，添加量30%时感官评分最高；硬度呈下降趋势，弹性30%时最优，咀嚼性和黏聚性在30%时最优。添加适量的水能够使淀粉充分的糊化，充分糊化的淀粉有助于凝胶结构的形成，提高肉丸的各项指标，与已有研究成果一致[19-20]。综合考虑，选择水添加量30%作为生产肉丸的最佳工艺条件。
由表7可知，各因素对肉丸的感官评分影响大小次序为：A>C>D>B，优方案为A2C3D2B2，此方案下感官评分为86.75；各因素对肉丸的硬度影响大小次序为：C>D>B>A，优方案为C3D3B2A3，此方案下感官评分为82.46；各因素对肉丸的弹性影响大小次序为：D>B>A>C，优方案为D2B1A2C1，此方案下感官评分为79.89；各因素对肉丸的黏聚性影响大小次序为：D>B>C>A，优方案为D3B3C3A3，此方案下感官评分为83.33；各因素对肉丸的咀嚼性影响大小次序为：A>D>B>C，优方案为A3D3B1C1，此方案下感官评分为84.49（以上5 组最优组合并不在9 次试验中，均对其进行验证）。综合考虑极差分析结果，以感官评价为主导，即：瘦肥比>大豆分离蛋白添加量>水添加量>马铃薯淀粉添加量。最佳优选方案为：A2C3D2B2，即瘦肥比70：30、马铃薯淀粉15%、大豆分离蛋白2.5%、水30%。此优选方案下感官评分为86.75，硬度达到3 889.14 g，弹性达到0.68，黏聚性达到0.46，咀嚼性达到914.36 g，各项质构指标均满足肉丸品质特性要求，通过验证试验此结果正确。
2.2 马铃薯膳食纤维低脂肉丸配方的优化结果
由表8可知，膳食纤维的添加量对猪肉丸的感官评价值的影响显著（P<0.05）。0%～40%的范围内，感官评分先升高后下降，20%时最高。硬度和黏聚性一直呈上升趋势，弹性20%时最优，咀嚼性一直呈下降趋势。膳食纤维具有良好的持水性、膨胀力和良好的乳化性、悬浮性及增稠性[21]，适量的膳食纤维大大改善了肉丸的品质，但添加过多会使肉丸口感粗糙，色泽暗淡，弹性降低，组织状态变差。综合考虑，选择膳食纤维代替20%脂肪（即肥肉24%，膳食纤维6%）为生产膳食纤维低脂肉丸的最佳工艺条件。
2.3 两种肉丸的营养成分对比
由表9可知，膳食纤维作为脂肪替代物加到猪肉丸中，使脂肪含量由20.28%降到12.30%，脂肪降低了39%，对其他营养成分影响不大，而且还改善肉丸的品质，降低成本。
3 结 论
通过单因素及正交试验确定了马铃薯膳食纤维低脂猪肉丸最佳配方（以瘦肥比及膳食纤维的总质量计，下同）：瘦肉70%、肥肉24%、膳食纤维6%、马铃薯淀粉16%、大豆分离蛋白2.5%、水30%。此方案下生产出的肉丸感官评价值达到90.73，硬度达到4 189.14 g，弹性达到0.70，黏聚性达到0.45，咀嚼性达到921.24 g。经过测定，马铃薯膳食纤维低脂猪肉丸的脂肪含量由原来的20.28%降到12.30%，脂肪降低了39%，其他营养成分变化不大，同时肉丸的品质也得到了改善，感官评价值由原来的86.75增加到90.73，提高了3.98，达到了预期的目的。
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抗裂混凝土用纤维的优化选择 篇4
1 原材料
(1) 水泥
易县水泥厂生产的太行牌P.O42.5水泥。
(2) 集料
细集料:易县本地砂, 含泥量1.2%, 细度模数为2.63;粗集料:易县本地采石场玄武岩碎石, 粒径分别为5～10mm、10～20mm, 压碎值7.4%, 针片状含量4.5%。
(3) 纤维
纤维有以下几种:某改性聚丙烯纤维;某有机仿钢纤维;某聚丙烯腈纤维;钢纤维。
(4) 矿物掺和料
采用Ⅰ级粉煤灰。
(5) 外加剂
采用上海马贝SX-C18超减水塑化剂, 固含量为29%左右, 减水率30%。
(6) 拌和水
拌和水采用洁净的饮用水。
2 配合比及抗裂性能测试
2.1 混凝土配合比
抗裂混凝土的配合比见表1所示。
2.2 平板开裂试验研究
试验采用我国新《混凝土结构耐久性设计与施工指南》中推荐的一个混凝土 (砂浆) 早期抗裂性试验设计和评价方法。试件尺寸为600mm×600mm×63mm的平面钢制模具。试验步骤如下:
注:A1掺加聚丙烯纤维, A2掺加有机仿钢纤维, A3掺加聚丙烯腈纤维, A4掺加钢纤维;石1表示粒径为10～20mm的玄武岩碎石, 石2表示粒径为5～10mm的玄武岩碎石。
(1) 将混凝土浇注到平面钢制模具内, 然后振捣, 直到混凝土被捣实且大约与模具顶部齐平。振捣后用抹刀把表面收平, 使骨料不外露且表面平实, 然后立即用塑料薄膜覆盖, 2h后取下薄膜。
(2) 用电风扇直吹试件表面, 风速为8m/s, 风向平行于试件表面, 同时把试件置于 (20±2) ℃、相对湿度 (60±5) %的环境中。隔段时间进行观察一次, 直至出现裂缝, 然后记录初始裂缝出现的时间、初始裂缝的长度和宽度。6h时观察一下试件裂缝数量、宽度和长度。24h后开始观察试件裂缝数量、宽度和长度, 裂缝以肉眼可见为准, 用钢尺测量其长度, 近似取裂缝两端直线距离为裂缝长度。当裂缝出现明显弯折时, 以折线长度之和代表裂缝长度。裂缝宽度用便携型裂缝宽度测量仪-CRACK VIEWER进行测量。
3 试验结果分析
3.1 混凝土物理力学性能结果分析
从表2可以得出, 纤维混凝土的初始坍落度和扩展度要低于素混凝土的初始坍落度和扩展度, 纤维在混凝土中的分散性能会明显影响新拌混凝土的工作性, 所有混凝土的坍落度经时损失较小, 完全满足施工要求。以A0素混凝土的28d抗压强度和劈裂抗拉强度为基准值1的话, 各种纤维混凝土28d抗压强度的大小顺序为:A4 (1.089) >A3 (1.016) >A1 (0.995) >A2 (0.959) ;各种纤维混凝土28d劈裂抗拉强度都大于1, 其大小顺序为:A4 (1.154) >A3 (1.102) >A1 (1.077) >A2 (1.026) ;纤维的加入均有利于混凝土强度的发展, 其中有机仿钢纤维和聚丙烯腈纤维的效果较好。
3.2 混凝土平板开裂试验结果分析
根据我国新《混凝土结构耐久性设计与施工指南》中规定的平板开裂分析评价方法, 混凝土 (砂浆) 早龄期防裂效能等级可按照两组试验η的平均值依据表3评定。
混凝土裂缝的发生及发展主要发生在24h龄期内, 素混凝土裂缝最大宽度为0.35mm, 有机仿钢纤维混凝土和钢纤维混凝土裂缝的最大宽度为0.15mm, 裂缝最大宽度比素混凝土降低了57%;聚丙烯纤维混凝土和聚丙烯腈混凝土裂缝的最大宽度为0.05mm, 裂缝最大宽度比素混凝土降低了86%;以素混凝土为基准, 聚丙烯腈纤维混凝土的裂缝降低系数η最高为0.98, 属于防裂效能等级的一级;其次是聚丙烯纤维混凝土, 其裂缝降低系数η为0.91, 属于防裂效能等级的一级;接着是钢纤维混凝土, 其裂缝降低系数η为0.72, 属于防裂效能等级的二级;最后是有机仿钢纤维混凝土, 其裂缝降低系数η为0.61, 也属于防裂效能等级的三级。分析认为:相比聚丙烯纤维、钢纤维和有机仿钢纤维, 聚丙烯腈纤维能够均匀地分布在混凝土内部, 与水泥混凝土有更好的黏结, 与水泥基体形成一个整体, 并在水泥基体中承担加劲筋的角色, 此外, 聚丙烯腈可以形成复杂三维体系并有效阻隔水分散失的通道, 减少或延缓水分的散失, 减小毛细管收缩应力, 因此聚丙烯腈纤维对混凝土早期塑性开裂的发展有明显的抑制作用。
因此, 综合考虑纤维种类对混凝土物理力学性能和抗裂性能的影响, 优选聚丙烯腈纤维作为混凝土的增韧材料。工程应用结果表明:混凝土施工和易性好, 不离析、不泌水, 一次性泵送成功, 工程使用至今, 混凝土未出现任何裂缝。
4 结语
(1) 纤维在混凝土中的分散性会影响新拌混凝土的工作性能;提高混凝土的劈裂抗拉强度, 阻止混凝土裂缝的产生和发展。
(2) 从混凝土的总开裂面积、总开裂条数、裂缝最大宽度和裂缝降低系数四个指标对比来看, 对于抑制混凝土开裂性能的效果显著顺序为:聚丙烯腈纤维>钢纤维>有机仿钢纤维。
(3) 优选聚丙烯腈纤维作为增韧材料, 掺量为1.0kg/m3, 配制混凝土, 施工效果优良, 混凝土使用至今未出现任何裂缝。
摘要：纤维可以改善混凝土的抗拉性能、抗开裂能力以及耐久性。结合工程实践, 利用平板开裂法研究了钢纤维、聚丙烯纤维、有机仿钢丝纤维、聚丙烯腈纤维对混凝土的塑性收缩开裂性能的影响。
关键词：纤维,抗裂混凝土,抗拉性能,平板法
参考文献
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纤维优化 篇5
关键词：沙柳；酸催化乙醇法；纤维素；正交试验
中图分类号： TQ352.62 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2014）03-0224-03
纤维素作为一种巨大的绿色资源，由于其可再生、可生物降解、可衍生化等优点越来受到人们的关注。目前，纤维素在化工、食品、医药、涂料等领域中的应用十分广泛[1-2]。沙柳又名筐柳、降马，属杨柳科落叶丛生直立灌木或小乔木，为沙漠地区广为种植的沙生植物之一。沙柳是固沙造林的优良树种，不仅起防风固沙、保持水土的作用，在改善生态系统、维持生态平衡等方面也具有独特的功能[3-5]。沙柳通常3年成材，成材后需平茬才能保持旺盛的生长力[6]。目前，平茬后的沙柳除少部分用于纤维板或编织生产外，大部分作为薪材燃烧或者丢弃，造成资源浪费[7]。沙柳细胞壁中含有大量的纤维素，是天然可再生生物质资源，合理利用沙柳资源将产生巨大的经济效益和生态效益。
乙醇法制浆是有机溶剂制浆的一种，是利用半纤维素上的乙酰基高温水解产生的乙酸自催化，使木质素分解，并将其溶出，同时部分半纤维素也溶出，从而达到分离纤维素的目的[8-10]。生产过程产生的制浆废液可以通过蒸馏来回收有机溶剂，通过提纯得到高纯度的木质素。乙醇法制浆技术的优越性不仅可以有效提取木质纤维原料中制得高品质的纤维素，还可有效回收有机溶剂和副产品，避免了浪费资源和环境污染。本研究采用乙醇制浆法提取纤维素，使用乙醇-乙酸-水作溶剂来预处理沙柳，考察了各因素对酸催化乙醇法预处理工艺的影响，并优化了预处理工艺。
1 材料与方法
1.1 原料和仪器
沙柳：内蒙古鄂尔多斯；乙醇：AR，天津市德恩化学试剂有限公司生产；冰醋酸：AR，广东光华科技股份有限公司生产；硝酸：AR，洛阳市化学试剂厂生产。电子分析天平：FA1004，上海精密科学仪器有限公司生产；高压反应釜：GS-0.5，山东威海宏协化工机械有限公司生产；粉碎机：DFY-200A，上海比朗仪器有限公司生产；循环水泵：SHB-Ⅲ，河南巩义市英峪华科仪器厂生产；干燥箱：HG101-3，江苏南京电器三厂生产。
1.2 测定项目与方法
主要分析表征沙柳原料化学组成特征的木质素、综合纤维素、纤维素、灰分等。了解原料的化学组成特征，据此选择合适的处理工艺条件。沙柳组成的分析方法详见文献[11]。
1.3 试验方法
将沙柳材粉碎，过40目筛，（105±3） ℃烘干，冷却，放入干燥器中备用。在高压反应釜中加入20g沙柳木粉，按配比加入一定比例的乙醇-乙酸-水蒸煮液，加热到一定温度后，保温一定时间，冷却，过滤，先用70%乙醇洗涤，再用2次蒸馏水洗干净，最后（105±3） ℃烘干，得纤维素粗品。
2 结果与分析
2.1 沙柳原料化学成分
沙柳原料含水分8.89%、灰分4.53%、苯醇抽提物251%、硝酸乙醇纤维素33.83%、综合纤维素71.92%、木质素22.72%。
沙柳原料中灰分含量远高于一般木材，灰分主要成分是二氧化硅[12]，这是传统碱法制浆黑液难以回收的重要原因之一。溶剂法制浆可以消除灰分积累。沙柳原料中含有较高的纤维素，是天然可再生生物物质，可以作为制备纤维素的原料。
2.2 单因素试验
以粗纤维产品中纤维素的含量为指标，考察蒸煮温度、乙醇浓度、保温时间、乙酸添加量、液固比对产品纯度的影响，以优化预处理工艺条件。
2.2.1 蒸煮温度的影响 考察蒸煮温度影响因素，分别设置蒸煮温度为140、160、180、190、200 ℃，其余条件控制为乙醇浓度60%，保温时间60 min，乙酸添加量1%，液固比 10 mL ∶ 1 g。试验结果如图1所示。
乙醇制浆法溶剂扩散非常快，木质素溶剂化主要取决于蒸煮温度。从图1可以看出，随着蒸煮温度的提高，纤维素的含量逐渐升高，在140～190 ℃范围内，纤维素含量变化最大，190 ℃以后纤维素含量变化不大，因此，选择蒸煮温度为
190 ℃ 较为适宜。
2.2.2 保温时间的影响 考察保温时间对纤维素含量的影响，分别设置保温时间为15、30、45、60、75、90 min，其余条件为蒸煮温度190 ℃，乙醇浓度60%，乙酸添加量为1%，液固比为10 mL ∶ 1 g。试验结果如图2所示。
从图2可以看出，随着保温时间的延长，纤维素的含量逐渐升高，但反应时间达到45 min后，纤维素的含量基本不变，因此保温时间可以选为45 min。
2.2.3 乙醇浓度的影响 考察乙醇浓度对纤维素含量的影响，分别设置乙醇浓度为20%、40%、50%、60%、80%，其余条件为蒸煮温度190 ℃，保温时间45 min，乙酸添加量为1%，液固比为10 mL ∶ 1 g。试验结果如图3所示。
由图3可知，随着乙醇浓度的增加，纤维素纯度增加，但乙醇浓度超过50%，纤维素纯度有所下降。因为随着乙醇浓度的逐渐提高，脱木质素率进一步增加，导致了碳水化合物的部分降解。因此选择乙醇浓度为50%较为适宜。
2.2.4 乙酸添加量的影响 考察乙酸添加量对纤维素含量的影响，分别设置乙酸添加量为0、0.5%、1.0%、1.5%、20%，其余条件为蒸煮温度190 ℃，保温时间45 min，乙醇浓度为50%，液固比为10 mL ∶ 1 g。试验结果如图4所示。
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从图4可知，粗纤维素产品中纤维素含量随着乙酸添加量的增加而增加，在乙酸添加量小于1%时，纤维素含量增加明显，但乙酸添加量大于1%时，纤维素的含量下降。因为酸催化乙醇法制浆时，酸的使用有助于沙柳原料中纤维素、木质素的分离，可以加快木质素变成碎片并溶出，也会加速副反应的发生，例如木质素的聚合和纤维素的分解。因此酸催化乙醇法预处理沙柳原料的酸浓度选择为1%较为适宜。
2.2.5 液固比的影响 考察液固比对纤维素含量的影响，分别设置液固比（mL ∶ g）为6 ∶ 1、8 ∶ 1、10 ∶ 1、12 ∶ 1、14 ∶ 1、16 ∶ 1，其余条件为蒸煮温度 190 ℃，保温时间45 min，乙醇浓度为50%，乙酸添加量为1%。蒸煮结果如图5所示。
由图5看出，纤维素含量随着液固比的增加而增加，但液固比超过10 mL ∶ 1 g时纤维的含量开始缓慢下降。Gilarranz等认为乙醇制浆法增加液比具有双重作用，乙醇的脱木质素能力具有氢离子浓度依赖性，液比增加体系酸度下降，木质素脱除能力下降；乙醇具有溶解木质素的能力，液比增加有利于木质素的溶解，抑制木质素的吸附[13]。因此，酸催化预处理沙柳原料的液固比选用10 mL ∶ 1 g较为适宜。
2.3 正交试验
为了考察蒸煮温度、乙醇浓度、保温时间、乙酸添加量和液固比等影响因素之间的相互影响，优化酸催化乙醇法提取纤维素预处理工艺条件，根据单因素试验结果，对蒸煮温度、乙醇浓度、保温时间、乙酸添加量、液固比采用5因素4水平进行L16（45）正交试验。正交试验设计方案见表1，正交试验结果见表2。
从表2可以看出，温度因素极差最大，为6.312，表明蒸煮温度的改变对试验指标影响最大，温度是要考虑的主要因素。最佳处理方案为A4B3C1D3E3，试验按照A4B3C1D3E3的最佳因素处理沙柳原料，并在此优化条件下进行3次平行试验得到粗纤维素的纯度为67.21%（表3），结果高于单因素试验和正交试验中达到的最佳效果。因此，酸催化乙醇法提取纤维素预处理工艺最佳工艺条件为：蒸煮温度为206 ℃、保温时间为55 min、乙醇浓度45%、液固比为10 mL ∶ 1 g、乙酸添加量1.3%。
3 结论
从单因素试验和正交试验结果分析可以得出，沙柳酸催化乙醇法提取纤维素预处理工艺的最佳条件为蒸煮温度为206 ℃、保温时间为55 min、乙醇浓度45%、液固比为 10 mL ∶ 1 g、乙酸添加量1.3%。在此处理条件下，获得的纤维素粗品中纤维素的含量为67.21%。
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纤维优化 篇6
随着我国西北地区经济的快速发展, 工程建设规模不断增大, 对地基土要求日趋严格。湿陷性黄土广泛分布于该地区, 其遇水后塌陷、力学性能大幅降低的性质严重影响工程安全。国内很多学者研究发现, 在湿陷性黄土重塑土中掺入一定量的石灰和粉煤灰, 形成的改良土 (灰土、二灰土) 则具有较好的物理力学性能[1~7];渗透系数也大幅减小[8]。但石灰和粉煤灰改良湿陷性黄土力学性能的同时也加大了改良土的脆性行为, 使其在破坏时强度迅速减小, 裂缝发育较快, 严重影响工程安全稳定性。
聚丙烯纤维 (后文简称碳纤维) 作为一种新兴的建筑加固材料, 具有抗拉强度高、高延性、轻质等优点, 已成功应用于岩土工程的多个领域。蔡奕、唐朝生等[9]发现纤维掺入石灰土中能够提高石灰土的强度, 增强石灰土的塑性, 使其破坏形式从脆性破坏转变为塑性破坏;唐朝生[10]发现碳纤维能有效改良软土的不良力学性能。但是, 碳纤维对重塑黄土的改良效果研究却甚少。
本文针对黄土改良土的脆性破坏形式, 首先, 在素土、灰土和二灰土中掺入适量的碳纤维, 制备18组试样, 通过室内试验分析和研究了不同龄期下碳纤维的掺入对素土、灰土和二灰土的抗压、抗剪性能的影响;然后, 通过电镜扫描, 从微观角度分析了力学性能的变化机理;最后, 综合宏观土体破坏形态, 总结出碳纤维改良黄土在增加改良黄土结构强度和预防土体开裂方面的积极作用。
1 试验方案
1.1 试验材料
试验黄土取自兰州市榆中县和平镇 (简称和平黄土, 代号HS) , 其基本物理力学指标见表1。将黄土低温烘干过5mm筛后, 与石灰按照7∶3的体积比均匀混合, 形成37灰土 (代号HH) 。同理, 以7∶2∶1的体积比将黄土与石灰、粉煤灰均匀混合形成127二灰土 (代号HE) 。通过轻型击实试验得出HS、HH和HE三种混合土的最优含水量及最大干密度, 见表2所示。碳纤维基本性能见表3。
HS、HH、HE三种试验土中按0.25%的质量比随机均匀掺入碳纤维, 对应形成三种碳纤维混合土 (代号分别为HST、HHT、HET) 。六组试样按各自最优含水量, 用喷雾法将蒸馏水喷入样品均匀湿化, 而后将土样用塑料袋封装置于保湿器中密封润湿养护48h备用。按照《土样试验方法标准》 (GB/T 50123-1999) 中标准击实试验方法[11], 采用JDS-2型电动标准轻型击实仪进行击实, 形成的重塑土试样在室内自然养护, 养护龄期分别为7d、28d和90d。
1.2 试验方案
(1) 无侧限抗压强度试验
试验采用长春实验机研究所研制的CSS-WAW300DL电液伺服万能试验机进行无侧限抗压强度试验, 试验采用应力控制法。试样直径40mm、高度100mm。加压过程采用位移控制, 速率:1.5 mm/min。
(2) 直剪试验
试验采用应变控制式直剪仪, 进行剪切速率为0.8mm/min的快剪试验。
(3) 扫描电子显微镜试验 (SEM)
采用日立SU-1500扫描电子显微镜对不同土体内部结构, 尤其是土体和碳纤维的接触界面进行图像信息采集。
2 试验结果及分析
2.1 无侧限抗压强度试验结果及分析
2.1.1 不同添加材料对试样抗压强度的影响
图1为HS、HST、HH、HHT、HE、HET六种土样养护28d的无侧限抗压强度曲线, 由图1可以看出: (1) 石灰的掺入对土体弹性模量的改变不大, 由于初始干密度的不同, 在土体强度方面也未得到良好的改善效果; (2) 粉煤灰的掺入使得土体强度有了较为明显的提高, 但同时弹性模量增大, 增加了土体的脆性; (3) 碳纤维的加入, 其框架结构优势得以发挥, 在保持弹性模量基本不变的基础上, 大幅度提高了土体的强度, 宏观表现为土体裂缝走向的改变, 同时出现一定程度的鼓胀现象 (见图2、图3) , 在土体屈服后, 碳纤维的延展性作用仍得以较长时间的延续。
2.1.2 养护龄期对含碳纤维试样抗压强度的影响
由三组龄期的HE和HET土样无侧限抗压强度曲线对比图 (图4) 可以看出: (1) 即使在不同的龄期下, 碳纤维的掺入均在一定程度上提高了土体的抗压强度, 强度增幅分别为61.8%、28.4%、12.9%, 随着龄期的增长, 强度增幅逐渐下降; (2) 掺入粉煤灰和石灰土体的二灰土的抗压强度与养护龄期时长成正比, 与土体的弹性模量成反比, 即这两种材料的加入所引起的土体脆性不会因为龄期的增长而消散, 反而有所增大; (3) 碳纤维的掺入在养护龄期较短的情况下, 其框架结构优势得到较大的发挥, 使得土体的破坏过程表现出较长时间的延展性特征。但随着龄期的增大, 土体抗压强度的增大还是伴随着较大的脆性, 即应力—应变曲线向应力轴靠近, 这种变化应该与碳纤维的掺入量相关。
2.2 剪切试验结果及分析
2.2.1 添加不同材料试样的剪切破坏特征
黄土是一种极具典型代表性的结构性土, 低饱和度的黄土表现为明显的脆性破坏特征[9,10]。由图5、图6分析可知: (1) 掺入不同材料的试样的剪应力—剪应变关系都呈现出脆性破坏特征, 即应力—应变关系曲线在达到峰值强度后, 随着剪切位移的增加, 强度直线下降; (2) 在相同的养护龄期下, 石灰和粉煤灰的掺入在增加了强度的同时, 都不同程度地增加了土体的脆性; (3) 碳纤维的掺入在较低轴向压力下 (100k Pa) , 对土体的脆性破坏特性改善效果不明显, 但随着压力的增大 (300k Pa) , 在达到应力峰值前, 试样经历了一段缓慢的强度增长过程, 这是随机分布的碳纤维的延展性较好地阻止了剪切面的快速贯通所致。
2.2.2 不同添加材料及养护龄期试样的剪切强度
对不同添加材料、不同养护龄期试样剪切试验所得的各强度参数见表2所示, 由表2可知: (1) 当重塑黄土中掺入石灰和粉煤灰后, 随着土体内部火山灰反应和水化反应的不断深入, 反应生成的胶结物质增多, 极大地增强了土体内部颗粒间的胶结作用力, 所以, 土体内聚力c得到明显提升; (2) 在HS、HH和HE中掺入碳纤维, 内聚力c均有提升, 相比HS, 在级配更好、胶结物质更多的HH和HE中加入碳纤维, 内聚力c提高幅度更大; (3) HS、HH和HE的土体内摩擦角随着龄期的增大而增大, 加入碳纤维后, 随机分布的碳纤维类似于混凝土中的钢筋, 结合土体中的胶结物, 提高了抗滑阻力, 使得内摩擦角有显著增加, 增速随养护龄期基本呈现先大后小的趋势。
分析土体抗压试验和剪切试验结果, 发现试样的剪切破坏特征和无侧限抗压强度破坏结果十分吻合, 证实了石灰和粉煤灰的加入对土体强度的提高做出了很大的贡献, 而碳纤维对土体抗压强度的提高程度较为明显, 在剪切强度上的贡献则较多的表现在了土体破坏后残余强度的提高, 即土体表现出的韧性, 此性质在抗压强度试验中也得以较好的体现。
2.3 SEM试验结果分析
电子显微镜扫描结果见图7~图10。
图7显示:HS土样粉土含量高, 胶结物含量低, 颗粒排列松散, 结构不紧凑, 孔隙空间较大, 颗粒间以点接触为主, 有效接触面积小;图8显示:HE土样中由于石灰和粉煤灰的加入, 发生火山灰反应和水化反应, 形成较多的水化硅酸钙 (Ca O·Si O2·n H2O) 、水化铝酸钙 (Ca O·Al2O3·n H2O) 、水化铁酸钙 (Ca O·Fe2O3·n H2O) 等一系列不溶于水的稳定性结晶生成物。水化产物作为胶结物填充于土体孔隙中并联结基质颗粒形成稳定团粒, 导致HE土样颗粒排列紧密, 结构紧凑, 孔隙空间小, 有效接触面积增加, 粒间接触方式以面接触为主。所以, HE、HH土样较HS土样, 抗压强度和抗剪强度均呈现不同程度的提高。
图9、图10显示:纤维表面附着许多粘土矿物和胶结物, 使得碳纤维和土壤基质之间具有一定的粘结强度。随机离散分布的碳纤维作为空间三维网络通过胶结和摩擦作用联锁土壤颗粒和胶结凝块, 形成一个统一的相干框架结构, 进而限制颗粒相对移动, 优化改良黄土颗粒结构力学行为。对比图9和图10还发现, HET土样中由于火山灰反应和水化反应形成较多的胶结物附着于碳纤维之上, 有效接触面积增加, 碳纤维同基质颗粒以及胶结物的粘结、摩擦和联锁均优于HST。此外, 随着粉煤灰水化反应的不断深入, 碳纤维力学性能优化作用将进一步发挥。
由于界面力的存在, 碳纤维在土体结构中很难滑移, 且能承受较大拉伸应力, 在正应力荷载作用下, 碳纤维的“联锁效应”能有效地阻止张裂缝的进一步发展, 使得土体具有一定韧性行为, 如图11和图12所示。
一些研究人员指出, 碳纤维抗滑阻力强烈依赖于纤维表面粗糙度[12~14]。随着碳纤维掺入后经过压实和硬粒子对碳纤维表面的磨损, 导致碳纤维外形及表面发生变化, 甚至删除部分的表层, 碳纤维表面形成裂沟和凹槽, 进而改良了接触界面条件, 与土壤基质之间的相互作用构成了一个联锁结构。
4 结论
本文通过对不同添加材料和不同养护龄期的试样进行抗压与抗剪强度测试, 结合土样的微结构, 从宏观与微观的角度分析探讨了黄土改良土的强度变化机理, 得出的主要结论如下。
(1) 灰土和二灰土相对于素土, 其抗剪强度和抗压强度明显提高。在土体中随机掺入一定量的碳纤维, 能够进一步优化改良黄土的力学性能, 主要表现在抗压强度、抗剪强度和土体破坏后残余强度的提高上。
(2) 由于石灰和粉煤灰的掺入, 导致改良黄土的脆性行为增强。而碳纤维的掺入, 增加了土体轴向压力峰值对应的位移, 同时降低了强度损失速度, 从而弱化了灰土和二灰土的脆性行为。随机离散分布的碳纤维作为空间三维网络, 通过胶结和摩擦作用联锁土壤颗粒和胶结凝块, 形成一个统一的相干框架结构, 由此发挥的“联锁效应”能有效地阻止张力裂缝的进一步发展和土体变形, 使得土体具有一定的韧性行为。
(3) 在以上碳纤维优化二灰土力学性能的过程中, 界面力起了决定性作用, 灰土和二灰土中水化反应和火山灰反应形成的胶结物以及带来的颗粒间有效面积的增加, 都极大地促进了碳纤维作用的发挥。
摘要：为了研究聚丙烯纤维改良黄土的效果和机理以及改善灰土和二灰土的脆性破坏形式, 在黄土、灰土和二灰土中随机掺入长度为10mm的聚丙烯纤维, 试验中聚丙烯纤维的质量百分比为0.25%, 分别养护7d、28d、90d后, 进行无侧限抗压试验和直剪试验。试验结果表明:聚丙烯纤维的掺入增强了基质土的抗压、抗剪等力学性能, 提高了应力峰值应变和残余强度, 减小了破坏后的应力衰减速度, 抑制了破坏裂缝的贯通发育。电子显微镜扫描 (SEM) 结果显示, 随机离散分布的聚丙烯纤维作为空间三维网络, 通过胶结和摩擦作用联锁土壤颗粒和胶结凝块, 形成一个统一的相干框架结构, 提高了改良黄土的结构强度。
纤维优化 篇7
1 试验材料与方法
1.1 原料与试剂
银杏叶, 徐州邳州, 粉碎过80目后备用;芦丁对照品, 中国药品生物制品检定所;纤维素酶, 无锡市雪梅酶制剂科技有限公司。
1.2 仪器与设备
标准检验筛, 浙江上虞华美仪器纱筛厂;SENCO R201L旋转蒸发器, 上海申生科技有限公司;SHZ-D (Ш) 循环水式真空泵, 巩义市英峪予华仪器厂;TGL-16G型台式离心机, 上海安亭科学仪器厂;pHS-3C型酸度计, 上海雷磁仪器厂;THZ-82恒温振荡器, 常州国华电器有限公司;7230G可见分光光度计, 上海精密科学仪器有限公司。
1.3 方法
1.3.1 标准曲线的建立
采用硝酸铝-亚硝酸钠比色法。
1.3.2 提取流程
原料粉碎过40目筛, 精确称取3g置于三角瓶中, 首先加入一定pH值一定量的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液, 然后加入一定质量的酶、在一定温度下提取一定时间后, 将提取液过滤, 定容, 测定。
1.3.3 工艺优化设计
首先分别以液料比、pH值、酶浓度、酶解时间和酶解温度为影响因素考察其对得率的影响, 然后在此基础上, 选取液料比、酶浓度和酶解时间对得率影响显著的3个因素, 采用三因素三水平的Box-Behnken试验方法进行提取条件的优化。试验因素水平设计见表1。
设该模型通过最小二乘法拟合的二次多项方程为:
式中:魭Y为预测响应值;xi和xj为自变量代码值;β0为常数项;βi为线性系数;βij为交互项系数;βii为二次项系数。
1.3.4 得率的计算
2 结果与分析
2.1 液料比对得率的影响
由图1可知:当液料比小于14mL/g时, 随着液料比的增加, 得率随之增加;在14mL/g时达到峰值, 这是因为随着溶剂倍数的增大, 溶剂和银杏叶粉末之间的接触面变大, 从而有利于促进银杏叶中黄酮成分的溶出。但过高的液料比会稀释酶的有效作用浓度、降低酶的催化活性, 从而使得率随着液料比的增加而降低;同时, 溶剂用量过大, 既增加了提取成本, 又会给其后的浓缩和提纯等工序增加麻烦。
2.2 pH值对得率的影响
每种酶都有最适pH值, 在此pH值下催化反应的速率最高。由图2可知:pH值在4.4～5.2之间, 得率一直随pH值的上升而增加;当pH值超过4.8之后, 化学环境不利于酶的作用, 酶活力减小, 得率下降趋势明显;pH值为4.8时, 得率的数值是较为理想的。这是因为:pH值4.8时, 处于纤维素酶的最佳作用pH值区间能够发挥纤维素酶的最大活力, 使之最大限度作用于细胞壁纤维素β-1, 4葡萄糖苷键, 破坏细胞壁, 减小传质阻力, 加速总黄酮的溶出效率。
2.3 酶浓度对得率的影响
由图3可知:开始阶段, 总黄酮的得率随酶浓度的增加而大幅上升;在达到0.4%以后, 总黄酮的得率随酶浓度的增加而下降。这是因为在试验条件下, 酶浓度低于最佳值时, 酶解未进行完全;达最佳值时, 酶解进行较完全;此时如果继续加大酶浓度, 没有多余的底物与之结合, 导致酶的作用受到抑制。因此, 选择0.4%左右的酶浓度比较合适。
2.4 酶解时间对得率的影响
由图4可知:30～60min内总黄酮得率随着时间的增加而增大:这是因为随着时间的延长, 酶活力得到充分利用, 酶解反应进行得较完全, 原料中的总黄酮成分不断地溶出、进入溶液, 使得率增加。但提取一定时间后, 继续增加提取时间, 得率反而降低。因此, 酶解工艺的适宜时间为60min。
2.5 酶解温度对得率的影响
由图5可知:酶解温度在35～40℃时, 得率随酶解温度的上升而增加;40℃达顶点, 以后随酶解温度的增大得率减小。这是因为温度对酶解反应速度的影响有两方面效应:一方面当温度升高, 酶活性增强、反应速度加快;另一方面温度继续升高, 酶活性减弱、酶的稳定性降低, 同时高温还会破坏原本已被提取出来的总黄酮的结构;低于40℃时以前种效应为主, 高于40℃时以后种效应为主。
2.6 Box-Behnken试验
2.6.1 模型的建立及其显著性检验
首先分别以液料比、pH值、酶浓度、酶解时间和酶解温度为影响因素考察其对得率的影响, 然后在此基础上, 选取液料比、酶浓度和酶解时间对得率影响显著的3个因素, 采用三因素三水平的Box-Behnken试验方法进行提取条件的优化。试验结果见表1。
利用Design expert V7.0.0统计软件对表1试验数据进行回归拟合, 得到总黄酮得率对以上3个因素的二次多项回归模型为:
对该模型进行方差分析, 结果见表2。
由表2可知:模型具有显著性 (P=0.0010) 显著以及R2Adj=0.8831和Adeq.Precision (信燥比) 等于11.329, 远大于4, 可知回归方程拟合度和可信度均很高, 试验误差较小, 故可用此模型对纤维素酶提取银杏叶总黄酮的工艺结果进行分析和预测。又由表2中P值可知:模型的一次项x1 (P<0.05) 显著、x2 (P>0.05) 不显著、x3 (P<0.01) 极显著;交互项都不显著;二次项都极显著, 表明各影响因素对得率的影响不是简单的线性关系。为进一步确定最佳提取工艺参数, 对所得方程进行逐步回归, 删除不显著项, 然后求一阶偏导, 并令其为0, 可得最佳工艺参数为液料比14.3mL/g、酶浓度0.41%和酶解时间48min, 此时总黄酮的得率达到最大值1.30%。
注:**表示极显著, 即0.01水平显著;*表示显著, 即0.05水平显著。
2.6.2 验证试验
为检验Box-Behnken试验设计所得结果的可靠性, 采用上述优化出的工艺参数提取3次, 实际测得的平均得率为1.32%, 与理论预测值相比, 其相对误差约为1.54%。因此, 基于Box-Behnken试验设计所得的最佳工艺参数准确可靠, 具有实用价值。
3 结论
在单因素试验的基础上建立了一个以银杏叶总黄酮得率为目标值, 以液料比、酶浓度和酶解时间为因素的数学模型, 方差分析表明拟合较好。通过对回归方程优化计算, 得到纤维素酶提取的最佳工艺条件为液料比14.3mL/g、酶浓度0.41%和酶解时间48min。对所建立的数学模型进行了试验验证, 在最优条件下得到总黄酮的得率为1.32%, 与理论值1.30%基本一致。
摘要：为了探讨纤维素酶对银杏叶中总黄酮提取的影响, 试验采用单因素试验和响应曲面法对其提取工艺进行了研究, 建立并分析了各主要影响因子与银杏叶总黄酮得率关系的数学模型。单因素试验结果表明:液料比对银杏叶总黄酮得率影响显著、酶浓度影响不显著、酶解时间影响极显著。通过RSM响应曲面法的进一步分析显示, 回归方程P=0.0010<0.01, R2Adj为0.8831和Adeq.Precision为11.329, 说明所建模型与试验值的拟合度很好。银杏叶总黄酮的纤维素酶提取工艺参数为液料比14.3mL/g、酶浓度0.41%和酶解时间48min;经试验验证, 在此条件下得率为1.32%, 与理论计算值1.30%基本一致。
关键词：银杏叶,总黄酮,纤维素酶提取,响应曲面法
参考文献
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纤维优化 篇8
关键词：放线菌,纤维素酶,酶活力,正交优化
纤维素是自然界最为丰富的可再生资源[1], 具有重要的应用价值, 如纤维素材料可转化为具有商业价值的乙醇、乙酸、单细胞蛋白等产品。近年来纤维素的生物转化也越来越受到更多的关注, 纤维素的生物转化离不开纤维素酶, 纤维素酶是使纤维素降解生成葡萄糖的一组酶的总称, 主要包括Cl酶、Cx酶和β-葡萄糖苷酶, 它是降解植物纤维素的关键酶类[2], 从20世纪60年代开始国内外学者就纤维素酶的分离纯化进行了大量的研究工作。自然界当中能产生纤维素酶的微生物有很多, 包括真菌、细菌、放线菌等[3], 目前研究较多的是霉菌, 其中木霉、青霉、曲霉和根霉均具有较强的酶活力, 尤以绿色木霉、里氏木霉和康氏木霉为典型[4~5]。
本实验室在研究秸秆堆肥的过程中分离到一株具有纤维素降解功能的放线菌 (娄彻氏链霉菌SP-2) , 本研究对其产酶条件进行了优化, 以为其工业化发酵生产提供理论支持。
1 材料与方法
1.1 材料
菌株:娄彻氏链霉菌SP-2, 从秸秆堆肥中分离获得, 具有纤维素酶活性。
培养基:可溶性淀粉 (10g) , KNO3 (1g) , K2HPO4 (0.5g) , Mg SO4·7H2O (0.5g) , Na Cl (0.5g) , Fe SO4·7H2O (0.01g) , 琼脂 (20g) , p H=7.5。
1.2 方法
1.2.1 种子液的活化。
用接种环挑取两环斜面保存的菌种, 接入到装有100m L液体培养基的250m L三角瓶内, 30℃、200r/min培养36h, 然后以10% (v/v) 的比例接入到新的培养基中, 30℃、200r/min培养24h得到种子液。
1.2.2 粗酶液的制备。
取娄彻氏链霉菌SP-2液体培养物3m L, 4000r/min离心5min, 上清即为粗酶液。
1.2.3 纤维素酶活的测定。
纤维素酶活测定按照文献[6]进行。
1.2.4 产酶条件的优化。
1) 温度对产酶的影响。取5组250ml三角瓶, 装入90ml液体培养基灭菌, 接入10ml事先制备好的种子液, 分别置于20℃、25℃、30℃、35℃、40℃摇床, 转速均为200r/min, 培养48h后取样测定培养物中的纤维素酶活, 每个温度做3个重复, 酶活取平均值。
2) 培养基起始p H对产酶的影响。取7组250ml三角瓶, 装入90ml液体培养基, 将培养基的初始p H分别调节为3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0, 接入10ml事先制备好的种子液, 在上述优化条件的基础上, 设定摇床转速为200r/min, 培养培养48h后取样测定培养物中的纤维素酶活, 每个温度做3个重复, 酶活取平均值。
3) 碳源对产酶的影响。在种子培养基的基础上将碳源替换为10g/L的玉米粉、稻草粉、羧甲基纤维素钠、蔗糖、葡萄糖, 以10g/L的可溶性淀粉做碳源对照, 分别将90ml不同碳源培养基装入250ml三角瓶中, 接入10ml活化好的种子液, 在上述优化条件下培养, 摇床转速为200r/min, 48h后取样测定培养物中的纤维素酶活, 每个碳源试验做3个重复, 酶活取平均值。
4) 氮源对产酶的影响。以优选的碳源配制培养基, 将KNO3替换为等浓度蛋白胨、酵母粉、豆粕粉、 (NH4) 2SO4、NH4Cl、NH4NO3、尿素进行氮源的优选, 以KNO3做氮源对照, 分别将90ml不同碳源培养基装入250ml三角瓶中, 接入10ml活化好的种子液, 在上述优化条件下培养, 摇床转速为200r/min, 48h后取样测定培养物中的纤维素酶活, 每个碳源试验做3个重复, 酶活取平均值。
5) 发酵时间对产酶的影响。取3只250ml三角瓶, 分别装入按照上述优化条件配制培养基90ml, 接入10ml活化好的种子液, 摇床转速设为200r/min, 于优选的最适温度下培养, 每12h取样一次, 测定培养物中的纤维素酶活并取3次重复的平均值。
1.2.5 发酵条件的优化。
在单因子试验的基础上, 以优选的碳、氮源并选取碳源浓度、氮源浓度、初始p H、培养温度、发酵时间等五个因素设计正交试验, 对娄彻氏链霉菌SP-2的产酶条件进行优化组合, 并在最优组合条件下培养菌株, 以测定纤维素酶活。
2 实验结果
2.1 培养温度对菌株纤维素酶活的影响
从图1可以看出, 菌株SP-2的最佳产酶温度为40℃, 该温度下酶活为140.81U/ml, 当培养温度高于或低于40℃时, 菌株SP-2产酶能力均有不同程度的下降, 如当培养温度为35℃时, 其酶活为115.69U/ml, 当培养温度下降至20℃时, 其酶活仅有40.35U/ml;当培养温度上升至45℃、50℃时, 其酶活逐步下降至130.41U/ml和100.25U/ml。
2.2 培养基起始p H对菌株纤维素酶活的影响
由图2可以看出, p H对菌株SP-2的产纤维素酶有明显影响, 菌株产纤维素酶的最适p H为7~8, 此时培养物中纤维素酶活为130.37~135.89U/ml, 高于或低于这一范围时, 菌株SP-2的纤维素酶活均有不同程度的下降。
2.3 碳源种类对菌株纤维素酶活的影响
从图3可以看出, 不同碳源对菌株SP-2的产酶酶活有明显影响, 其中以CMC-Na为碳源时产酶最高, 为183.48U/ml, 其次为玉米粉, 酶活为170.44U/ml, 但CMC-Na的价格远远高于玉米粉, 从节约成本的角度讲, 发酵菌株SP-2产酶宜采用玉米粉做为碳源。
2.4 氮源种类对菌株纤维素酶活的影响
从图4可以看出, 所选的几种氮源中, 以酵母粉为氮源时酶活最高, 为182.45U/g, 其次分别为蛋白胨和黄豆粉, 分别为160.65U/g和149.54U/g, 以尿素为氮源时酶活最低, 仅有77.32U/g, 且由实验结果可看出, 使用无机氮源时菌株SP-2酶活均低于添加有机氮源时的酶活。
2.5 培养时间对菌株纤维素酶活的影响
由图5可以看出, 随培养时间的延长培养物中的纤维素酶活在不断增加, 当培养至60h时纤维素酶活达最大值, 为180.63U/ml, 此后在60~84h间培养物中纤维素酶活较为稳定, 维持在179.65U/ml左右, 84h后酶活开始明显下降, 当培养至120h, 其酶活已降至150.61U/ml, 可见在发酵菌株NL时, 为获得较大的纤维素酶活, 需将发酵时间控制在60~84h间。
2.6 正交试验
在单因子试验的基础上, 对上述五个因素进行正交试验设计 (表1) , 实验结果如表2所示, 从表中可以看出各因素对纤维素酶活的影响力大小依次为起始p H>碳源浓度>培养温度>氮源浓度>培养时间, 其最优组合为A2B3C2D3E3即培养温度为40℃, 培养基起始p H为8.0, 碳源浓度8g/L, 氮源浓度2g/L, 培养时间72h。
按照优化后的培养条件培养娄彻氏链霉菌SP-2, 并测定其纤维素酶活, 实验共设三个重复, 结果 (表3) 显示, 菌株SP-2的纤维素酶活达到了211.73 U/ml, 比优化前 (142.68 U/ml) 提高了48.4%。
3 结论
本试验通过对娄彻氏链霉菌SP-2的液体摇瓶发酵条件的优化, 来提高纤维素酶的活力, 首先采用单因子实验对其培养条件进行初步筛选, 然后利用正交试验设计软件进行设计试验, 最终得到菌株SP-2发酵的最优条件。
单因子实验结果显示菌株SP-2最佳条件分别为培养温度35~45℃, 培养基起始p H为7~8, 碳源为玉米粉, 氮源为酵母粉, 培养时间60~84h。
正交实验结果显示, 各个因素对菌株SP-2产纤维素酶活的影响力依次为起始p H>碳源浓度>培养温度>氮源浓度>培养时间, 其最优组合为培养温度为40℃, 培养基起始p H为8.0, 碳源浓度8g/L, 氮源浓度2g/L, 培养时间72h。
经过培养条件的优化, 菌株SP-2的纤维素酶活可达211.73 U/ml, 比优化前 (142.68 U/ml) 提高了48.4%。
参考文献
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纤维优化 篇9
采用离子交换技术治理重金属工业废水方便快捷、绿色环保且应用形式灵活、处理容量大,运行费用低、产生污泥量少。离子交换纤维是一种新型的高效吸附与分离材料,比传统的颗粒状离子交换树脂具有更快的吸脱吸附速率、更高的吸附容量,在环境保护和资源利用等方面具有良好的应用前景。
聚丙烯腈(PAN)的氰基使PAN有很大的改性空间,PAN能和多种试剂作用,化学转化成一系列离子交换纤维。目前,用改性PAN纤维处理工业废水的产品虽有许多优点,但也有一些不足,如:含S及含P多配位基螯合的PAN纤维,其吸附选择性和速率较好,但此法反应步骤多,耗时长,会使纤维的力学性能下降,造成原料浪费[1];偕胺肟基螯合纤维虽有一定的机械强度,但交换容量有所下降[2]。目前,关于改性PAN纤维的研究多以转化率计算改性纤维的性能或以其表观形态判断反应程度。
本工作对廉价的PAN纤维进行改性并对其改性条件进行了优化,以其对模拟电镀废水中的重金属离子的吸附能力来衡量其吸附性能,更加直观,更具说服力。此工艺简单、快捷、绿色环保、成本低,所制备的改性PAN纤维吸附性能优良。
1 试 验
1.1 PAN纤维的改性
将5.3 g PAN纤维放入圆底烧瓶中,加入250 mL 15～55 g/L盐酸羟胺溶液(即PAN纤维浓度为21.2 g/L),利用Na2CO3调节溶液至pH值为4～9;用PHS - 2C精密酸度计测量pH值,在HH - 2型数显式恒温水浴锅中30～100 ℃下用JJ - 1精密增力电动搅拌器搅拌、使其充分反应0.5～3.5 h,使其上的氰基(-CN)螯合获得偕胺肟基 [-(NH2)C=N-OH]离子交换纤维[3]。取出改性PAN纤维,用蒸馏水清洗至中性,置于DGG - 9240B电热恒温鼓风干燥箱中于反应温度下烘干待用。
1.2 改性PAN纤维的吸附试验及再生应用
(1)在单离子及多离子溶液中的吸附
取1 000 μg/mL Cu2+,Zn2+,Ni2+,Pb2+及1 500 μg/mL的Cd2+溶液各40 mL,分别与1 g改性PAN纤维在5个锥形瓶中进行吸附反应(试验中发现40 mL 1 000 μg/mL Cd2+溶液中所含的Cd2+被1 g改性PAN纤维几乎完全吸附,故无法判断吸附是否达到饱和,所以Cd2+浓度选取150 μg/mL进行吸附反应);将以上离子溶液各20 mL倒入一锥形瓶中混合,加入2.5 g改性纤维进行吸附反应。
吸附反应条件:将上述锥形瓶放入ET - Q气浴恒温振荡器中室温下中速震荡2 h以达到饱和吸附,放置12 h,过滤后待测[4]。
(2)再生应用
将使用过的改性PAN纤维沥干水分,用0.2 mol/L HCl浸泡2 h,再用蒸馏水洗至无Cl-(用AgNO3溶液检验,未出现白色沉淀即可),于烘箱中70 ℃下烘干,再按上述方法在各单离子溶液进行吸附反应,测定吸附反应后各离子的浓度,计算其吸附性能并与其再生前的吸附性能进行比较。
1.3 吸附性能的测定
配制一系列各金属离子的标准溶液,用TAS - 900型火焰原子吸收分光光度计测定其吸光度并绘制标准曲线。测定被吸附溶液的吸光度,在标准曲线上找出金属离子对应的浓度并计算改性PAN纤维的吸附性能(以每克纤维吸附的重金属离子毫克数计)。
2 结果与讨论
因螯合纤维对重金属离子Cu2+的吸附受外界因素影响较小[5],故以对Cu2+的吸附性能来衡量改性PAN纤维的吸附性能,然后再推及到其他离子。
2.1 盐酸羟胺浓度对改性PAN纤维吸附性能的影响
pH值为7.0,70 ℃水浴温度下反应2 h,不同浓度盐酸羟胺改性的PAN纤维对Cu2+的吸附性能见图1。由图1可知,随着盐酸羟胺浓度的增加,改性PAN纤维对Cu2+的吸附性能先提高后降低,这是由于在一定范围内提高反应物浓度可以促进反应往正反应方向进行,适当提高盐酸羟胺的浓度可使其尽可能多地与腈纶上的氰基螯合得到偕胺肟基,具有较好的吸附功能;但盐酸羟胺浓度过高时,游离羟胺分子的扩散速度趋于定值,改性PAN纤维的力学性能被破坏,纤维柔软性变差,密度和硬度增大[2]。试验反应最佳浓度为30 g/L,结合参考文献[2]的结论,取中间值27 g/L为最佳浓度。
2.2 pH值对改性PAN纤维吸附性能的影响
在上述优化反应条件下,不同pH值条件下改性的PAN纤维对Cu2+的吸附性能见图2。由图2可知,随着pH值的增加,改性PAN纤维对Cu2+的吸附性能先提高后降低,最佳pH值为7.0。pH值是反应的重要环境条件,对改性PAN纤维的吸附性能影响较为明显,强酸性或强碱性条件均不利于螯合反应的进行,中性条件制得的纤维具有优良的吸附性能。pH值偏低,溶液中还有一部分盐酸羟胺,不利于反应的完全进行;pH值偏高,溶液中主要为游离的羟胺分子,其自身的稳定性差,易发生分解,而且其挥发性增大,不利于反应进行。
2.3 温度对改性PAN纤维吸附性能的影响
在上述优化反应条件下,不同水浴温度下改性的PAN纤维对Cu2+的吸附性能见图3。由图3可知,随着温度的升高,改性PAN纤维对Cu2+的吸附性能先提高后降低,最佳反应温度为70 ℃。这是因为温度过低无法提供足够的热量,反应难以充分进行;温度的升高有利于氰基与盐酸羟胺分子相互靠近,接触几率增大,反应充分进行;但温度过高会破坏纤维的力学性能,反而制约了改性PAN纤维的吸附作用[6]。
2.4 时间对改性PAN纤维吸附性能的影响
在上述优化反应条件下,不同反应时间改性的PAN纤维对Cu2+的吸附性能见图4。
由图4可知,随着反应时间的增加,改性PAN纤维对Cu2+的吸附先增加后降低,最佳反应时间为2 h。与温度对吸附反应的影响相似,时间过短反应难以充分进行,时间过长会破坏纤维的力学性能。
2.5 改性PAN纤维对其他离子的吸附及再生应用
2.5.1 吸附性能
在上述最佳条件下改性的PAN纤维在各重金属单离子溶液和多离子混合溶液中的吸附效果如下。
(1)改性PAN纤维在各重金属单离子溶液中的吸附性能见表1。
(2)改性PAN纤维在重金属多离子混合溶液中的吸附性能见表3。
从表1、表2可以看出:在单离子溶液里,改性PAN纤维对Cd2+的吸附效果最好,吸附量达55 mg/g;而在多离子混合溶液中,改性PAN纤维对Cd2+同样具有较高的吸附性能,说明Cd2+是改性PAN纤维优先选择吸附的重金属离子。
2.5.2 再生应用
再生PAN纤维在各种重金属单离子溶液中的吸附性能见表3。
由表3可知,再生改性PAN纤维表现出了良好的吸附性能,与再生前的吸附性能相近,纤维再生一定次数后,其分子链结构固定,外界应力对其影响不再显著,吸附再生只在纤维的特定官能团上进行化学反应,而对其物理强度影响很小,再生利用率高[7],可见在实际应用中纤维的重复使用是可行的。
3 结 论
(1)改性PAN纤维的最佳条件:21.2 g/L PAN纤维,27.0 g/L盐酸羟胺,pH值为7.0,温度70 ℃,反应时间2 h。
(2)改性PAN纤维对模拟电镀废水中的Cu2+,Zn2+,Ni2+,Pb2+ ,Cd2+均具有较好的吸附性能,其中对Cd2+的吸附效果最好,吸附量达55 mg/g;在多金属混合溶液中优先选择吸附Cd2+。
(3)改性PAN纤维再生效果良好,可重复利用。
摘要：为了寻求低价、环保的电镀废水处理方案,将廉价的聚丙烯腈(PAN)纤维与羟胺试剂反应对PAN纤维进行改性,使其上氰基螯合获得偕胺肟基纤维。通过改变各种改性条件,探讨了改性条件对PAN改性纤维在重金属单离子溶液和多离子混合溶液中吸附性能的影响。结果表明:最佳改性条件为21.2 g/L PAN纤维,27.0 g/L盐酸羟胺,pH值为7.0,70℃下反应2 h;改性PAN纤维对模拟电镀废水中的Cu2+,Zn2+,Ni2+,Pb2+,Cd2+等重金属离子均有较好吸附性能,其中对Cd2+吸附效果最好,吸附量为55 mg/g;在多离子混合溶液中优先选择吸附Cd2+;改性PAN纤维再生效果优良,可重复利用。
关键词：聚丙烯腈,羟胺试剂,改性纤维,废水净化,重金属离子,再生
参考文献
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[2]陶庭先,吴之传,赵择卿.螯合纤维的制备——聚丙烯腈纤维改性[J].合成纤维,2001,30(4):32～33.
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[4]罗道成,刘俊峰,陈安国.改性聚丙烯腈纤维对电镀废水中重金属离子吸附的研究[J].材料保护,2005,38,(5):60～62.
[5]吕瑶姣,刘跃龙,张季爽.螯合纤维的合成及其吸附重金属离子的研究[J].环境与开发,2001,16,(2):23～24.
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纤维优化 篇10
SiO2气凝胶是一种由纳米级超细颗粒相互交联构成、具有空间网络结构的纳米多孔非晶固体材料,具比表面大(500~1200m2·g-1)、孔隙率高(80%以上)及孔隙尺寸小(2~50nm)等结构特点[1,2]。这些结构特性使其具有超低热导率(小于静止空气),在航天航空、工业、建筑等领域具有良好的发展和节能应用潜力[3]。但SiO2气凝胶脆性大、强度低,并在3~8μm红外辐射波段具有较大透过率,极大限制了其隔热应用[4]。为改善气凝胶力学性能和高温隔热性能,通常在气凝胶基体中加入陶瓷纤维、玻璃纤维、电纺PVDF纤维等制得纤维/SiO2气凝胶复合材料[5,6,7,8],取得了良好效果,获得了越来越多的关注和应用。
纤维含量和直径是影响纤维/SiO2气凝胶复合材料总体热导率的重要参数。Zeng等[9]研究了碳含量对气凝胶复合材料总体热导率的影响,发现通过优化碳质量分数可有效减小复合材料总体热导率,当碳质量分数为8%时气凝胶复合材料具有最小的总体热导率;Tong等[10]研究了纤维直径对多孔硅酸盐纤维材料辐射热导率的影响,发现通过优化纤维直径可有效减小复合材料热导率,当硅酸盐纤维直径为1.6μm时多孔硅酸盐纤维材料具有最小的辐射热导率。
文献[9-12]报道了通过优化纤维含量或纤维直径来减小复合材料总体热导率的工作,这些研究多是针对纤维含量或纤维直径等单一参数的变化,但纤维含量和纤维直径对纤维/SiO2气凝胶复合材料总体热导率的影响存在耦合效应,通过探讨纤维含量和纤维直径间的关联以及对总体热导率的综合影响,并对这两种参数进行综合优化,有望进一步减少复合材料的总体热导率而改善材料的绝热性能,但目前尚缺少相关报道。
因此,本工作采用纤维/SiO2气凝胶复合材料总体热导率的理论模型,研究纤维含量和纤维直径对纤维/SiO2气凝胶复合材料总体热导率的综合影响,通过同时优化这两个影响参数以获得更小的总体热导率,研究结果可用于指导纤维/SiO2气凝胶复合材料的结构设计和性能优化。
1 实验
1.1 纤维/SiO2气凝胶复合材料的制备
以正硅酸乙酯(分析纯,天津市福晨化学试剂厂)为前驱体,以石英玻璃纤维(纯度大于99.5%,纤维直径8μm,熔点大于1600K)为增强体,采用溶胶-凝胶法制备石英玻璃纤维/SiO2的复合醇凝胶,并以三甲基氯硅烷(分析纯,天津百世化工有限公司)为疏水改性剂对复合醇凝胶进行疏水表面改性,然后在60℃下进行常压干燥制备出石英玻璃纤维/SiO2气凝胶复合材料,具体制备过程和工艺参数见文献[13-16]。
在86.0g SiO2醇凝胶中分别加入1.23g、1.85g和2.47g石英玻璃纤维,制备3种不同纤维含量的石英玻璃纤维/SiO2气凝胶复合材料,样品编号分别为AC#1-#3。
1.2 纤维/SiO2气凝胶复合材料的结构表征
采用扫描电子显微镜(SEM)(JSM-7001F型,日本电子株式会社)观察石英玻璃纤维/SiO2气凝胶复合材料的微观形貌,观察前用JFC-1600型离子刻蚀镀膜仪对样品进行2min喷金处理。
使用比重瓶法(100mL,四川蜀牛玻璃仪器)测量石英玻璃纤维/SiO2气凝胶复合材料样品的密度:
式中:m为比重瓶的质量,m1为装有复合材料的比重瓶质量,m2为装有复合材料和蒸馏水的比重瓶质量,m3为装有蒸馏水的比重瓶质量,ρH2O为蒸馏水的密度。对每种样品测量3次取平均值作为复合材料的最终测试密度。
由此可计算复合材料中纤维的体积分数:
式中:mf为石英玻璃纤维质量,mt为复合材料总质量,ρf为石英玻璃纤维密度(2200kg·m-3)。
1.3 纤维/SiO2气凝胶复合材料的热导率测试
采用HOTDISK热常数分析仪(TPS2500,瑞典)通过瞬态平面热源法测试石英玻璃纤维/SiO2气凝胶复合材料样品的导热系数。测试条件设为低导热模式,功率20mW,测试探针深度10mm,将探头置于两片平整的样品之间,输入电流脉冲产生能量输出。通过记录各个温度下瞬态测试过程中产生的电压降并计算得到石英玻璃纤维/SiO2气凝胶复合材料样品的热导率,对每种样品测量3次取平均作为最终的测试热导率。
2 纤维/SiO2气凝胶复合材料的总体热导率理论模型
纤维/SiO2气凝胶复合材料总体热导率是导热热导率(kc)和辐射热导率(kr)之和[17],即:
2.1 基于材料微观结构的总体热导率计算模型假设
图1为纤维/SiO2气凝胶复合材料的扫描电镜图,可看出纤维在平面上随机分布,纤维间的空隙填充有SiO2气凝胶,SiO2气凝胶填充有效避免了纤维间的直接接触。基于此,提出合理假设如下:(1)纤维在SiO2气凝胶基体中分布均匀;(2)纤维在气凝胶基体平面上随机分布,且热流方向垂直于纤维平面;(3)纤维被气凝胶包裹,纤维间没有直接接触;(4)忽略气凝胶与纤维间的接触热阻。
2.2 纤维/SiO2气凝胶复合材料的导热热导率
对于石英玻璃纤维在SiO2气凝胶基体中平面随机分布,可采用串联模型计算复合材料导热热导率:
式中:fv为纤维体积分数,kc,a为SiO2气凝胶的气固耦合热导率,可采用分形交叉球模型计算[18],主要为:
式中:s为Sierpinsky海绵阶段。γ为内孔隙与矩阵边长比,kg为气相热导率,kunit为基本单元的热导率:
式中:M=cos(arcsin(a)),a为颗粒接触长度与SiO2颗粒直径的比值,ks为颗粒的导热热导率。
式(4)中,kc,f为石英玻璃纤维的导热热导率,可由式(8)计算[19]:
式中:ρf为石英玻璃纤维的体积密度,取2200kg·m-3,常数a1和a2分别为8.07×10-6W·m2·kg-1·K-4/3和4.8×10-14W·m2·kg-1·K-4。
2.3 纤维/SiO2气凝胶复合材料的辐射热导率
基于光学厚假设,石英玻璃纤维/SiO2气凝胶复合材料辐射热导率可用Rosseland方程[20]计算:
式中:T为周围环境温度,σ为Stefan-Boltzmann常数,nT为随周围温度变化的复合有效折射率[21],βe为气凝胶复合材料Rosseland平均衰减系数,是SiO2气凝胶平均衰减系数(βe,a)[7]和石英玻璃纤维平均衰减系数(βe,f)之和,βe,f可表示为:
式中:Ebλ和Eb分别为光谱黑体发射力和黑体发射力,βeλ,f为石英玻璃纤维光谱衰减系数,对于热流方向垂直于石英玻璃纤维平面,其光谱衰减系数为:
式中:d为纤维直径,Qeλ为光谱衰减因子。可采用米氏散射理论和瑞利散射理论分别来描述大直径和小直径纤维对入射光的散射效果[22],并用Bridging方程描述其综合衰减效果[23]:
式中:c2=2m-1,m为纤维复折射率,对石英玻璃纤维参照文献[24],Qeλ,M为米氏散射衰减因子,对热流垂直于无限长圆柱形石英玻璃纤维[25]:
式中:Re为复数的实部符号,尺寸因子x=πD/λ。an和bn为无限长圆柱形纤维米氏系数,是m和x的函数。
式(12)中,Qeλ,R为瑞利散射衰减因子,可由式(14)计算[23]:
3 结果与分析
3.1 气凝胶复合材料总体热导率的预测值与实测值对比
表1给出了3种石英玻璃纤维/SiO2气凝胶复合材料(AC#1-#3)的密度、体积分数和总体热导率等实验测试数据,3种复合材料中纤维体积分数分别为1.05%、1.69%和2.43%,在300K温度下热导率分别为0.0197W·m-1·K-1、0.0200 W·m-1·K-1和0.0206 W·m-1·K-1,可见气凝胶复合材料总体热导率随着纤维含量增加而增大,这是由于纤维的加入使气凝胶导热热导率增大而使辐射热导率减小,但常温下气凝胶导热热导率占主导[4]。
基于表1气凝胶复合材料的实验测试值,采用总体热导率理论模型计算出3种复合材料总体热导率的预测值,二者对比如图2(a)所示,可看出模型预测值稍低于实测值(约10%),这是由于实验制备的纤维/SiO2气凝胶复合材料中石英玻璃纤维之间可能会存在接触与交错,而产生热桥效应,增大了气凝胶复合材料热传导,导致实测总体热导率稍高。
图2(b)为石英玻璃纤维/SiO2气凝胶复合材料总体热导率模型预测值与文献实测值(Lee和Cunnington[26])的对比,其中样品a的纤维体积分数为3%,气凝胶密度为80kg·m-3;样品b的纤维体积分数为1.7%,气凝胶密度为90kg·m-3,可看出模型预测值与实测值吻合较好,表明本模型计算是可行的。
图2总体热导率实测值与预测值的对比:与本实验样品实测值对比(a);与Lee和Cunnington实测值对比(b)Fig.2 Comparison between measured and predicted total thermal conductivity:comparison with kc measured in this paper(a),comparison with kc measured by Lee and Cunnington(b)
3.2 纤维含量和直径对气凝胶复合材料平均衰减系数的影响
图3(a)为纤维体积分数对复合材料Rosseland平均衰减系数的影响,其中纤维直径为8μm,气凝胶密度为110kg·m-3。由图3(a)可看出平均衰减系数随纤维含量增加而增大,这是由于石英玻璃纤维的平均衰减系数远大于气凝胶;而且平均衰减系数的增大幅度随着温度升高而更为明显,如温度为1200K时平均衰减系数线具有最大的斜率[18]。
图3(b)为纤维直径对复合材料平均衰减系数的影响,其中纤维体积分数为3%,气凝胶密度为110kg·m-3。由图3(b)可看出,随纤维直径的增大,复合材料的平均衰减系数先增大后减小;在较高温度下,平均衰减系数最大值对应的纤维直径较小,如温度从400K升高到1200K时,复合材料最大平均衰减系数对应的纤维直径从7.3μm减小到2.5μm。这与Wien位移定律是一致的,即最大光谱辐射力波长λm随着温度升高而减小,最大衰减系数对应的纤维直径也随温度升高而减小。
3.3 纤维含量和直径对气凝胶复合材料总体热导率的影响
图4(a)为纤维体积分数对复合材料总体热导率的影响,其中纤维直径为8μm,气凝胶密度为110kg·m-3。由图4(a)可看出,较低温度(如300K)下总体热导率随纤维含量增加而增大,而较高温度(如800~1000K)下总体热导率随纤维含量增加而减小。从图4(a)还可看出,当温度为400K时复合材料总体热导率最小值对应体积分数约为5%,而温度为600K时对应的体积分数约为10%,这表明随着温度的升高,适当增大纤维体积分数可有效减小复合材料的总体热导率。
图4(b)为纤维直径对复合材料总体热导率的影响,其中纤维体积分数为3%,气凝胶密度为110kg·m-3。由图4(b)可看出,在较高温度下复合材料的总体热导率随纤维直径的变化更为明显(如1000K);随着纤维直径的增大,复合材料的总体热导率先减小后增大,即在某个直径下总体热导率取值最小;最小总体热导率对应的纤维直径随温度的升高而减小,从400K的7.7μm减小到1000K的3.1μm,这表明在较高温度下适当减小纤维直径能有效降低总体热导率。
3.4 纤维含量和纤维直径的同时优化
同时改变纤维体积分数和纤维直径,以总体热导率最小为目标,获得了不同温度下总体热导率的最小值及其对应的体积分数和直径优化值,如图5所示,可看出当温度从300K升高到1300 K,纤维体积分数优化值从1.3%增大到18.2%,而纤维直径优化值从8.6μm减小为2.5μm。这表明在较高温度下适当增大纤维体积分数、减小纤维直径均可有效降低复合材料的总体热导率。
图6给出了条件参数、单独优化体积分数、单独优化直径与同时优化这两个参数获得的复合材料总体热导率,可看出同时优化纤维体积分数和直径能获得最低的总体热导率,如温度为1000K时,同时优化两个参数得到的总体热导率较条件参数(纤维体积分数3%,直径8μm)低62%,比单独优化体积分数(纤维直径8μm)低50%,而比单独优化直径(纤维体积分数3%)低20%,因此通过二元优化(即同时优化纤维体积分数和直径)可得到复合材料的最小总体热导率,从而有效改善气凝胶复合材料的绝热性能,促进气凝胶复合材料的节能应用。
4 结论
